2024年9月11日，《科学进展》（Science Advances）杂志刊登了人居学院、全球环境变化研究院沙丽娟副教授、程海教授团队与同济大学海洋地质国家重点实验室翦知湣院士、党皓文教授等的合作研究论文《Triple Oxygen Isotope Reveals Insolation-Forced Tropical Moisture Cycles》，首次建立了过去21万年来的浮游有孔虫（G. ruber）三氧同位素（δ17O，δ18O，Δ′17O）记录，揭示了由太阳辐射驱动赤道太平洋水汽循环的变化规律。
热带海洋是地球上主要的水汽和热量源区，其水汽循环的时空特征、机制以及过程深刻影响着区域和全球气候系统的演变。然而，长久以来，由于缺乏直接记录大气水汽含量的有效指标，热带海洋的水汽循环演变仍属未知。该项研究通过分析西太平洋暖池核心区海洋沉积浮游有孔虫的三氧同位素，首次重建了热带海洋表层水汽含量和相对湿度的历史变化（图1），并探讨了过去21万年的海洋水汽循环过程。结果表明：有孔虫Δ′17O记录及重建的相对湿度和绝对湿度受到岁差周期（约2.3万年）的主导：当北半球夏季日照增强时，热带西太平洋湿度增加，更多的水汽汇聚于此。此外，西太平洋地区的水汽含量与北半球夏季日照变化高度一致，表明低纬度海洋的水汽循环主要受太阳辐射的控制，这一结论也得到了模型模拟的验证（图2）。
图1.岁差主导的有孔虫Δ′17O和δ18Osw-ive记录的变化
图2.模型模拟和根据有孔虫三氧同位素记录重建了绝对湿度的变化
结合其他地质记录（如石笋和热带西太平洋海水δ18O记录），研究指出，西太平洋热带海洋区域水汽汇聚的增强，显著加深了南北向和东西向的水循环，进而影响了东亚和南美北部的降雨模式。即：从西太平洋到东亚和南美的水汽动态主要受到岁差日照变化的影响，即太阳辐射在调控热带水循环中的核心作用。海洋有孔虫三氧同位素数据不仅为理解过去的亚洲夏季风和“类ENSO气候态”变化提供了深入见解，还进一步指出西太平洋暖池区的大气汇聚和海洋水汽对流在塑造中低纬水文气候演变中的作用，揭示了跨太平洋“从海到陆”的水汽传输和气候响应的复杂性。因此，该项研究加深了我们对低纬度海-陆水汽运移机制的理解，为理解全球气候系统中水汽和潜热的传输机制提供了关键信息。
这项研究利用了自2016年开始发展的碳酸盐和水的三氧同位素测试技术，目前该技术处于领先水平。三氧同位素技术的建立，不仅开辟了示踪环境变化的新领域，还为水文气候变化研究提供了新的方法和思路。实验技术平台的主要创建者及该项研究的第一作者沙丽娟副教授，来自云南省小凉山地区宁蒗彝族自治县，她的学术成长历程展现了勤奋与毅力。她在高考中以优异成绩考入，随后在程海教授团队中完成硕士和博士学位，并留校任教。她的工作不仅体现了发展新技术进而创新性地解决重要科学问题的研究范式、及其在全球气候变化研究领域的学术卓越性，同时也展现了年轻彝族女性学者在科学前沿研究中的风采。
1955年，Cesare Emiliani首次将氧同位素（18O和16O）应用于海洋浮游有孔虫，革命性地推动了古海洋学的发展，使我们得以深入理解冰期-间冰期循环。70年后，通过合作研究将三氧同位素（18O、17O和16O）新技术应用于海洋浮游有孔虫，进一步加深了对低纬度气候变化的理解，揭示了低纬度地区水汽循环的独特韵律。有专家学者指出：“党皓文和沙丽娟等首次将新发展的三氧同位素技术应用于古海洋学研究，从某种意义上堪比1955年‘二氧同位素’应用在理解高纬‘水-冰’循环的革命性进展，为理解低纬度‘水-汽’循环提供了新方法和新认知，是理解全球变化轨道理论不可或缺的重要一环。”
该论文第一作者为沙丽娟副教授，同济大学党皓文教授和程海教授为共同通讯作者，合作者包括中、韩、奥地利、美、澳大利亚、摩洛哥等多国学者。该研究由中国国家自然科学基金（No. 42488201, 42103005, 42222603, 41976047, 42202218, 42003006）、瑞典研究理事会Vetenskapsrådet（No. 2022-03617）等资助。
原文信息：
Lijuan Sha, Haowen Dang, Yue Wang, Jasper A. Wassenburg, Jonathan L. Baker, Hanying Li, Ashish Sinha, Yassine Ait Brahim, Nanping Wu, Zhengyao Lu, Ce Yang, Xiyu Dong, Jiayu Lu, Haiwei Zhang, Sasadhar Mahata,Yanjun Cai,Zhimin Jian, Hai Cheng. Triple Oxygen Isotope Reveals Insolation-Forced Tropical Moisture Cycles.Science Advances, 10, eadp7855 (2024).
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp7855
